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Sauerstoff hat typischerweise aktive chemische Eigenschaften. Er ist ein stark oxidierendes und brennbares Mittel und kann sich mit den meisten Elementen zu Oxiden verbinden, außer mit Gold, Silber und Edelgasen wie Helium, Neon, Argon und Krypton. Eine Explosion tritt auf, wenn Sauerstoff in einem bestimmten Verhältnis mit brennbaren Gasen (Acetylen, Wasserstoff, Methan usw.) vermischt wird oder wenn ein Rohrleitungsventil plötzlich auf Feuer stößt. Der Sauerstofffluss im Rohrleitungssystem ändert sich während des Sauerstoffgastransports. Die European Industrial Gas Association (EIGA) hat den Standard IGC Doc 13/12E „Sauerstoff-Pipelines und Rohrleitungssysteme“ entwickelt, der die Sauerstoff-Arbeitsbedingungen in „Aufprall“ und „Nicht-Aufprall“ unterteilt. Der „Aufprall“ ist gefährlich, da dabei leicht Energie freigesetzt wird, die zu Verbrennung und Explosion führt. Das Sauerstoffventil ist ein typischer „Aufprallort“.

Sauerstoffventile sind spezielle Ventile für Sauerstoffleitungen und werden häufig in der Metallurgie, Erdölindustrie, Chemie und anderen Industriezweigen eingesetzt, in denen Sauerstoff verwendet wird. Das Material des Sauerstoffventils ist auf den Betriebsdruck und die Durchflussrate beschränkt, um das Aufeinandertreffen von Partikeln und Verunreinigungen in der Rohrleitung zu verhindern. Daher sollte der Ingenieur bei der Auswahl eines Sauerstoffventils Reibung, statische Elektrizität, Zündung von Nichtmetallen, mögliche Schadstoffe (Oberflächenkorrosion von Kohlenstoffstahl) und andere Faktoren vollständig berücksichtigen.

Warum neigen Sauerstoffventile zum Explodieren?

• Rost, Staub und Schweißschlacke im Rohr führen durch Reibung mit dem Ventil zu Verbrennungen.

Während des Transports reibt und kollidiert der komprimierte Sauerstoff mit Öl, Eisenoxidschrott oder kleinen Partikeln (Kohlestaub, Kohlenstoffpartikel oder organische Fasern), wodurch eine große Menge an Reibungswärme entsteht, die zur Verbrennung von Rohren und Geräten führt, was von der Art der Verunreinigungen, der Partikelgröße und der Luftströmungsgeschwindigkeit abhängt. Eisenpulver verbrennt leicht mit Sauerstoff, und je feiner die Partikelgröße, desto niedriger der Zündpunkt; je höher die Geschwindigkeit, desto leichter verbrennt es.

• Adiabatisch komprimierter Sauerstoff kann brennbare Stoffe entzünden.

Materialien mit niedrigem Zündpunkt wie Öl und Gummi im Ventil entzünden sich bei lokal hohen Temperaturen. Das Metall reagiert mit Sauerstoff und diese Oxidationsreaktion wird durch die Erhöhung der Reinheit und des Drucks des Sauerstoffs deutlich verstärkt. Beispielsweise beträgt der Druck vor dem Ventil 15 MPa, die Temperatur 20 °C und der Druck hinter dem Ventil 0,1 MPa. Wird das Ventil schnell geöffnet, kann die Sauerstofftemperatur hinter dem Ventil gemäß der Berechnung der adiabatischen Kompressionsformel 553 °C erreichen, was den Zündpunkt einiger Materialien erreicht oder überschritten hat.

• Der niedrige Zündpunkt von Brennstoffen in hochdruckreinem Sauerstoff ist der Auslöser für die Verbrennung von Sauerstoffventilen.

Die Intensität der Oxidationsreaktion hängt von der Sauerstoffkonzentration und dem Sauerstoffdruck ab. Die Oxidationsreaktion tritt in reinem Sauerstoff heftig auf und gibt gleichzeitig eine große Menge Wärme ab, sodass das Sauerstoffventil in reinem Sauerstoff unter hohem Druck eine große potenzielle Gefahr darstellt. Tests haben gezeigt, dass die Detonationsenergie des Feuers umgekehrt proportional zum Quadrat des Drucks ist, was eine große Gefahr für das Sauerstoffventil darstellt.

Aufgrund der besonderen Eigenschaften von Sauerstoff müssen Rohre, Ventilarmaturen, Dichtungen und alle Materialien, die in Rohrleitungen mit Sauerstoff in Berührung kommen, vor der Installation gründlich gereinigt, gespült und entfettet werden, um zu verhindern, dass im Herstellungsprozess Eisenschrott, Fett, Staub und sehr kleine Feststoffpartikel entstehen oder zurückbleiben. Wenn sie durch das Ventil in den Sauerstoff gelangen, kann es leicht zu Reibungsverbrennung oder Explosionsgefahr kommen.

Wie wählt man ein für Sauerstoff verwendetes Ventil aus?

Einige Projekte verbieten ausdrücklich Absperrschieber von der Verwendung in Sauerstoffleitungen mit einem Auslegungsdruck von mehr als 0,1 MPa ab. Dies liegt daran, dass die Dichtfläche von Schieberventilen durch Reibung bei der Relativbewegung (d. h. beim Öffnen/Schließen des Ventils) beschädigt wird, was dazu führt, dass kleine „Eisenpulverpartikel“ von der Dichtfläche abfallen und leicht Feuer fangen. In ähnlicher Weise explodiert auch die Sauerstoffleitung eines anderen Ventiltyps in dem Moment, in dem der Druckunterschied zwischen den beiden Seiten des Ventils groß ist und das Ventil schnell öffnet.

• Ventiltyp

Bei dem in der Sauerstoffleitung installierten Ventil handelt es sich im Allgemeinen um ein Absperrventil. Die allgemeine Strömungsrichtung des Ventilmediums ist nach unten gerichtet und nach außen gerichtet, während die Strömungsrichtung beim Sauerstoffventil umgekehrt ist, um eine gute Schaftkraft und ein schnelles Schließen des Ventilkerns sicherzustellen.

• Ventilmaterial

Ventilkörper: Unter 3 MPa wird die Verwendung von rostfreiem Stahl empfohlen, über 3 MPa wird Inconel 625 oder Monel 400-Legierungsstahl verwendet.

• Trimmen

(1) Die Innenteile der Armatur müssen mit Inconel 625 behandelt und oberflächengehärtet sein.

(2) Der Werkstoff des Ventilschafts/der Ventilhülse ist Inconel X-750 oder Inconel 718.

(3) Es sollte sich um ein nicht reduzierendes Ventil handeln und derselbe Kaliber wie das Originalrohr haben. Der Ventilkernsitz ist nicht für Hartauftragsschweißen geeignet.

(4) Das Material des Ventildichtrings besteht aus fettfreiem Formgraphit (niedriger Kohlenstoffgehalt).

(5) Für den oberen Ventildeckel wird eine doppelte Dichtung verwendet. Die Dichtung besteht aus hochtemperaturbeständigem, fettfreiem Graphit (468 °C).

(6) Sauerstoff im Fluss von Graten oder Rillen erzeugt Hochgeschwindigkeitsreibung, die zur Ansammlung großer Wärmemengen und möglicherweise zur Explosion von Kohlenstoffverbindungen führt. Die Beschaffenheit der Ventilinnenfläche muss den Anforderungen der ISO 8051-1 Sa2 entsprechen.

 

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Sicherheitsventile und Überdruckventile haben eine ähnliche Struktur und Leistung. Beide entladen das interne Medium automatisch, wenn der Druck den eingestellten Wert überschreitet, um die Sicherheit des Produktionsgeräts zu gewährleisten. Aufgrund dieser wesentlichen Ähnlichkeit werden die beiden häufig verwechselt und ihre Unterschiede werden häufig übersehen, da sie in einigen Produktionsanlagen austauschbar sind. Eine klarere Definition finden Sie in den ASME-Kessel- und Druckbehälterspezifikationen.

Sicherheitsventil: Ein automatisches Druckregelgerät, das durch den statischen Druck des Mediums vor dem Ventil angetrieben wird und für Gas- oder Dampfanwendungen mit vollständig geöffneter Funktion verwendet wird.

Entlastungsventil: Auch als Überlaufventil bekannt, ein automatisches Druckentlastungsgerät, das durch den statischen Druck vor dem Ventil angetrieben wird. Es öffnet sich proportional, wenn der Druck die Öffnungskraft übersteigt. Wird hauptsächlich für Flüssigkeitsanwendungen verwendet.

 

Der grundlegende Unterschied liegt in ihrem Funktionsprinzip: Das Sicherheitsventil entlastet den Druck in die Atmosphäre, also aus dem System heraus. Es kann ein Druckentlastungsgerät für Flüssigkeitsbehälter sein. Wenn der eingestellte Druckwert erreicht ist, öffnet sich das Ventil fast vollständig. Im Gegensatz dazu entlastet ein Entlastungsventil den Druck, indem es die Flüssigkeit zurück in das System entlässt, also auf die Niederdruckseite. Das Entlastungsventil öffnet sich allmählich, wenn der Druck allmählich ansteigt.

Der Unterschied wird auch in der Regel in Kapazität und Sollwert angezeigt. Überdruckventil wird zum Druckentlasten verwendet, um einen Überdruckzustand zu verhindern. Der Bediener muss möglicherweise beim Öffnen des Ventils als Reaktion auf ein Steuersignal behilflich sein und es wieder schließen, sobald der übermäßige Druck abgelassen ist und der normale Betrieb wieder aufgenommen wird.

Ein Sicherheitsventil kann verwendet werden, um den Druck abzulassen, der nicht manuell zurückgesetzt werden muss. Beispielsweise wird ein thermisches Entlastungsventil verwendet, um den Druck in einem Wärmetauscher abzulassen, wenn dieser isoliert ist, aber die Möglichkeit einer thermischen Ausdehnung der Flüssigkeit zu Überdruckzuständen führen könnte. Das Sicherheitsventil an einem Kessel oder anderen Arten von befeuerten Druckbehältern muss in der Lage sein, mehr Energie abzuführen, als in den Behälter eingebracht werden kann.

Kurz gesagt sind Sicherheitsventile und Überdruckventile die beiden am häufigsten verwendeten Arten von Steuerventilen. Das Sicherheitsventil gehört zu den Druckentlastungsvorrichtungen, die nur dann arbeiten können, wenn der Arbeitsdruck den zulässigen Bereich überschreitet, um das System zu schützen. Das Überdruckventil kann das Hochdruckmedium schnell auf den Druckbedarf des Systems bringen und sein Arbeitsprozess ist kontinuierlich.

Das Entlüftungsventil, manchmal auch als Druck- und Vakuumentlastungsventil bezeichnet, ist ein wichtiger Bestandteil von atmosphärischen Tanks und Behältern, in die Lösungsmittel mit hoher Durchflussrate eingefüllt und abgesaugt werden. Diese Art von Ventil wird in die Ein- und Ausatemleitungen von Tanks, Behältern und Prozessgeräten eingebaut, um giftige Dämpfe zurückzuhalten und eine Kontamination der Atmosphäre zu vermeiden. Auf diese Weise werden unvorhergesehene Druck- und Vakuumschwankungen ausgeglichen und ein erhöhter Brandschutz und eine höhere Sicherheit gewährleistet.

Wie funktioniert das Entlüftungsventil?

Die innere Struktur des Atemventils besteht im Wesentlichen aus einem Einatemventil und einem Ausatemventil, die nebeneinander oder überlappend angeordnet sein können. Wenn der Tankdruck dem Atmosphärendruck entspricht, arbeiten die Scheibe des Druckventils und des Vakuumventils sowie der Sitz aufgrund des „Adsorptionseffekts“ eng zusammen, wodurch der Sitz dicht und leckagefrei bleibt. Wenn der Druck oder das Vakuum ansteigt, öffnet sich die Scheibe und bleibt aufgrund des „Adsorptionseffekts“ an der Seite des Sitzes gut abgedichtet.

Wenn der Druck im Tank auf den zulässigen Konstruktionswert ansteigt, wird das Druckventil geöffnet und das Gas im Tank wird durch die Seite des Entlüftungsventils (also des Druckventils) in die Außenatmosphäre abgelassen. Zu diesem Zeitpunkt ist das Vakuumventil aufgrund des Überdrucks im Tank geschlossen. Umgekehrt findet der Ausatemvorgang statt, wenn der Tank beladen ist und Flüssigkeit aufgrund der höheren Atmosphärentemperatur verdunstet. Das Vakuumventil öffnet sich aufgrund des Überdrucks des atmosphärischen Drucks und das externe Gas gelangt durch das Saugventil (also das Vakuumventil) in den Tank. An diesem Punkt schließt das Druckventil. Das Druckventil und das Vakuumventil können zu keinem Zeitpunkt geöffnet werden. Wenn der Druck oder das Vakuum im Tank auf den Normalwert abfällt, schließen sich die Druck- und Vakuumventile und stoppen den Aus- oder Einatemvorgang.

 

Der Zweck des Entlüftungsventils?

Das Atemventil darf unter normalen Bedingungen nur dann dicht sein, wenn:

(1) Beim Entlüften der Flasche beginnt das Atemventil, Luft oder Stickstoff in die Flasche einzusaugen.

(2) Beim Füllen der Flasche beginnt das Atemventil, das ausgeatmete Gas aus der Flasche zu drücken.

(3) Aufgrund des Klimawandels und aus anderen Gründen steigt oder sinkt der Materialdampfdruck im Tank, und das Atemventil atmet den Dampf aus oder atmet Luft oder Stickstoff ein (normalerweise als thermischer Effekt bezeichnet).

(4) Im Brandfall verdampft die Flüssigkeit im Tank aufgrund des erhitzten Ausatemgases stark und das Atmungsventil beginnt, die Luft aus dem Tank abzulassen, um eine Beschädigung des Tanks durch Überdruck zu vermeiden.

(5) Bei Arbeitsbedingungen wie Drucktransport flüchtiger Flüssigkeiten, chemischen Reaktionen interner und externer Wärmeübertragungsgeräte und Betriebsfehlern wird das Atmungsventil betätigt, um eine Beschädigung des Lagertanks durch Überdruck oder Supervakuum zu vermeiden.

 

Gemeinsame Normen für Entlüftungsventile

DIN EN 14595-2016 – Tank für den Transport gefährlicher Güter – Serviceausrüstung für Tanks – Über- und Unterdruckentlüftung.

 

Wie wird das Entlüftungsventil eingebaut?

(1) Das Entlüftungsventil muss am höchsten Punkt oben am Tank angebracht werden. Theoretisch sollte das Entlüftungsventil im Hinblick auf die Reduzierung von Verdunstungsverlusten und anderen Abgasen am höchsten Punkt des Tankraums angebracht werden, um den direktesten und maximalen Zugang zum Entlüftungsventil zu gewährleisten.

(2) Bei großen Tankvolumen kann ein einzelnes Atemventil nicht verwendet werden, da sonst die Gefahr eines Überdrucks oder Unterdrucks besteht. Es können zwei Atemventile installiert werden. Um zu vermeiden, dass der Betrieb mit zwei Atemventilen gleichzeitig das Risiko eines Ausfalls erhöht, werden normalerweise zwei Atemventile mit Saug- und Druckgradienten konstruiert, von denen eines normal funktioniert und das andere als Reserve dient.

(3) Wenn ein großes Atemvolumen dazu führt, dass das Atemvolumen eines einzelnen Atemventils die Anforderungen nicht erfüllen kann, können zwei oder mehr Atemventile eingebaut werden, und der Abstand zwischen ihnen und der Mitte der Tankoberseite sollte gleich sein, d. h. eine symmetrische Anordnung auf der Tankoberseite.

(4) Wenn das Atemventil am Stickstoffüberlagerungstank installiert ist, muss die Anschlussposition der Stickstoffversorgungsleitung weit von der Atemventilschnittstelle entfernt sein und etwa 200 mm von der Oberseite des Tanks in den Lagertank eingeführt werden, damit der Stickstoff nicht direkt nach dem Eintritt in den Tank austritt und die Rolle der Stickstoffüberlagerung übernimmt.

(5) Wenn im Lungenautomaten eine Drucksperre vorhanden ist, muss der Einfluss des Druckabfalls in der Drucksperre auf den Auslassdruck des Lungenautomaten berücksichtigt werden, um einen Überdruck in der Flasche zu vermeiden.

(6) Wenn die Durchschnittstemperatur des Tanks niedriger oder gleich 0 ist, muss das Entlüftungsventil über Frostschutzmaßnahmen verfügen, um ein Einfrieren des Tanks oder ein Blockieren der Ventilscheibe aufgrund schlechter Entlüftung oder unzureichender Luftzufuhr zu verhindern, was zu einem Überdruck im Fasstank oder einem zu niedrigen Druck im entleerten Tank führen kann.

 

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